JP5334123B2 - 半導体発光装置、半導体発光装置アセンブリ、および半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関し、特に、基板の表面に半導体発光素子が搭載された表面実装型の半導体発光装置、その半導体発光装置を複数備える半導体発光装置アセンブリ、および、その半導体発光装置の製造方法に関する。

最近、非常に高輝度の白色半導体発光装置が開発されている。ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップに代表される半導体発光素子を使用した半導体発光装置は、消費電力が少なく省エネルギー化が達成できるので、低消費電力化の流れに対応して、液晶のバックライト装置、照明機器などの光源として、広く使用されるようになっている。

液晶のバックライト装置、照明機器などの光源装置は、面状に配置された複数の白色半導体発光装置を備える。面内での輝度むらなどの観点から、配光特性の広い光源、逆に集光した光源など、配光特性を考慮した光源が要求されている。そのため、基板上に搭載された青色半導体発光素子が赤色、緑色蛍光体などの蛍光体を含有する透光性封止樹脂によって封止され、その封止体の表面がレンズ形状やドーム形状に加工された、白色半導体発光装置が製品化されている。上記構成の白色半導体発光装置では、青色半導体発光素子が青色光を放出し、この青色光により蛍光体含有透光性樹脂層中の蛍光体が励起され、蛍光光を放出する。蛍光光と青色光との混色によって、白色光が発光する。

このような白色半導体発光装置の形成方法の一例として、たとえば、特許文献１には、発光性能および信頼性が向上した発光ダイオードのような光学素子の生産を可能にすることを目的とした蛍光フィラおよびその形成方法が開示されている。特許文献１には、ＬＥＤチップと、ＬＥＤチップの周囲に形成された蛍光化合物粒子およびエポキシの混合物を含む小ドーム状の滴状物と、滴状物の表面を覆う蛍光体を含まない透明な光学ドームと、を有するＬＥＤ素子が、従来技術として記載されている。

特許文献２には、極めて薄型で発光面からの光の取出し効率が良好な、また、製造工程において色調調節が可能な、発光装置が提案されている。特許文献２に記載の発光装置は、発光ダイオードを覆っている樹脂を備え、樹脂は、発光ダイオードを多い蛍光体を含む第１透明樹脂と、第１透明樹脂を覆う第２透明樹脂とを有する。

特許文献３には、蛍光体含有材料をＬＥＤに一様に塗布することを目的とした、発光半導体装置上に発光層を形成する方法が提案されている。特許文献３に記載の方法は、基板上に設けられた発光半導体装置がステンシルの開口部内に位置するように、基板上でステンシルの位置決めを行う工程と、発光材料を含むステンシル組成物を開口部に堆積させる工程と、基板からステンシルを除去する工程と、ステンシル組成物を固体状態まで硬化させる工程と、を含む。

特許文献４には、モールド部材で基板上の発光素子を被覆する発光装置の製造方法が開示されている。特許文献４では、基板上に発光素子が配置されたパッケージにダムシートのような型をあらかじめ設置し、この型にモールド部材を注入して、発光素子をモールド部材で被覆する方法が提案されている。

特開２００３−２８６４８０号公報 特開２００７−１５８００９号公報 特開２００２−１８５０４８号公報 特開２００９−５４６９４号公報

蛍光光の外部への取り出しは、蛍光体の位置と蛍光体を含まない透光性樹脂層の外周面との位置関係で決まり、白色半導体発光装置の配光特性を左右する。したがって、ある程度の精度内に蛍光体含有透光性樹脂層を作製できるような形状に、半導体発光装置を形成する必要がある。または、ある程度の精度内に蛍光体含有透光性樹脂層を作製できるような製造方法を使用して、半導体発光装置を製造する必要がある。

蛍光体含有透光性樹脂を作製する方法として、従来、樹脂のチキソトロピー性を利用し、粘性の高い樹脂を使用してポッティングなどにより形成する方法がある。しかしこの方法では、生産時の樹脂中の蛍光体量のばらつきが樹脂粘度に影響を及ぼすので、蛍光体含有透光性樹脂層の形状の安定化が不十分である。また他の方法として、スクリーン印刷やダムシートのような樹脂を堰き止める部材を使用し、樹脂の形状を安定化させる方法がある。しかしこの方法では、作製可能な蛍光体含有透光性樹脂層のサイズに限界があり、また堰き止め部材の使用によりコストが増大する課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、蛍光体を含有する透光性樹脂によって半導体発光素子が覆われた半導体発光装置であって、樹脂層の形状安定化およびコスト低減を達成でき、量産性の高い装置を提供することである。

本発明に係る半導体発光装置は、主表面を有する基板と、主表面上に配置された半導体発光素子とを備える。半導体発光装置はまた、半導体発光素子を覆う封止樹脂部と、封止樹脂部の周囲を取り囲む周壁部と、封止樹脂部と周壁部とを接続する接続部と、を含み、主表面上に設けられた第一の透明樹脂部を備える。半導体発光装置はまた、蛍光体を含み、周壁部の内側に形成され封止樹脂部を覆う、第二の透明樹脂部と、第二の透明樹脂部を覆う第三の透明樹脂部と、を備える。半導体発光素子は、発光層を含み、接続部は、基板の厚み方向において、主表面と発光層との間の距離よりも小さい厚みを有する。

好ましくは、第一の透明樹脂部と第二の透明樹脂部と第三の透明樹脂部とは、同一の屈折率を有する。

好ましくは、第三の透明樹脂部は、封止樹脂部の周壁部の外周側面と上端部とをさらに覆い、大気との境界をなす外周面を含み、外周面の少なくとも一部は、球面状に形成されている。

好ましくは、封止樹脂部は、主表面から最も離れた頂部を有し、周壁部は、主表面からの距離が封止樹脂部の周囲全体に亘って頂部よりも大きい上端部を有する。

好ましくは、封止樹脂部の外表面の少なくとも一部は、球面状に形成されている。

好ましくは、接続部は、基板の厚み方向において、５０μｍ以上の厚みを有する。
好ましくは、蛍光体は、第二の透明樹脂部中において略均等に分散している。

好ましくは、第二の透明樹脂部は、蛍光体の含有濃度が相対的に高い蛍光体層を有し、蛍光体層は、封止樹脂部に面接触する。

好ましくは、第一の透明樹脂部と第三の透明樹脂部とは、対称軸を共有する軸対称な形状を有する。

本発明の他の局面に係る半導体発光装置アセンブリは、上記のいずれかに記載の半導体発光装置を複数備える。半導体発光装置の第一の透明樹脂部は、半導体発光装置に隣接する他の半導体発光装置の第一の透明樹脂部と一体の構造を有する。半導体発光装置の第三の透明樹脂部は、他の半導体発光装置の第三の透明樹脂部と一体の構造を有する。

本発明のさらに他の局面に係る半導体発光装置の製造方法は、主表面を有する基板を準備する工程と、主表面上に発光層を含む半導体発光素子を配置する工程と、を備える。当該方法はまた、主表面上に、半導体発光素子を覆う封止樹脂部と、封止樹脂部の周囲を取り囲む周壁部と、封止樹脂部と周壁部とを接続する接続部と、を含む第一の透明樹脂部を形成する工程を備える。接続部は、基板の厚み方向において、主表面と発光層との間の距離よりも小さい厚みを有している。当該方法はまた、周壁部の内側に、封止樹脂部を覆うように、蛍光体を含む第二の透明樹脂部を形成する工程と、第二の透明樹脂部を覆う第三の透明樹脂部を形成する工程と、を備える。

好ましくは、第一の透明樹脂部を形成する工程は、主表面上に金型を設置する工程と、金型の内部空間に樹脂材料を供給する工程と、供給された樹脂材料を硬化させる工程と、金型を取り除く工程と、を備える。

好ましくは、第二の透明樹脂部を形成する工程は、周壁部の内側に樹脂材料をポッティングする工程と、ポッティングされた樹脂材料を硬化させる工程と、を備える。

好ましくは、第二の透明樹脂部を形成する工程は、ポッティングされた樹脂材料に含まれる蛍光体を沈降させる工程を備える。

好ましくは、第三の透明樹脂部を形成する工程は、封止樹脂部を覆う金型を設置する工程と、金型の内部空間に樹脂材料を供給する工程と、供給された樹脂材料を硬化させる工程と、金型を取り除く工程と、を備える。

本発明によると、樹脂層の形状安定化およびコスト低減を達成でき、量産性の高い半導体発光装置を提供することができる。

本実施の形態に係る半導体発光装置の断面図である。 図１に示す半導体発光素子付近を拡大して示す断面図である。 第二の透明樹脂部の構成を示す断面模式図である。 図３に示す半導体発光装置の一部分の平面図である。 図１に示す半導体発光装置に、原点Ｏを中心とする仮想的な球面を示した図である。 図１に示す半導体発光装置を、原点Ｏを中心とする座標上に模式的に示した図である。 半導体発光装置の製造工程を示す流れ図である。 第一の透明樹脂部を形成する工程の詳細を示す流れ図である。 基板の主表面上に金型を設置した状態を示す断面図である。 金型の内部に樹脂材料が充填された状態を示す断面図である。 第二の透明樹脂部を形成する工程の詳細を示す流れ図である。 ポッティング装置が準備された状態を示す断面図である。 第二の透明樹脂部を形成する樹脂材料が充填された状態を示す断面図である。 第三の透明樹脂部を形成する工程の詳細を示す流れ図である。 封止樹脂部を覆う金型を設置した状態を示す断面図である。 金型の内部に樹脂材料が充填された状態を示す断面図である。 本実施の形態の製造方法により作製された半導体発光装置アセンブリの断面図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係る半導体発光装置の断面図である。図１に示すように、本実施の形態の半導体発光装置１は、主表面４と、主表面４とは反対側の裏面８とを有する基板２を備える。基板２は、任意の材料を使用して形成されてもよく、たとえばセラミック基板、表面に絶縁層を形成した金属基板、メタルコア基板、高放熱多層樹脂基板などであってもよい。

基板２の主表面４上には、半導体発光素子１０が配置されている。半導体発光素子１０は、たとえば青色光を放出する青色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップである。図１に示す半導体発光素子１０は、二つの電極を上面側、すなわち、基板２の主表面４に対向する面と反対の面に設ける、表面２電極型と呼ばれる構造を有する。なお、半導体発光素子１０は、両方の面にそれぞれ一つの電極を設ける、上下電極型の構造を有してもよい。

基板２には、主表面４から裏面８へ向かって基板２を貫通する、スルーホール６が形成されている。電極パターン１６は、基板２の主表面４上から、スルーホール６内を経由して、裏面８へ至るように形成されている。図１に示すように、半導体発光装置１には、二つの電極パターン１６が形成され、その一方がアノード電極として機能し、他方がカソード電極として機能する。裏面８側の電極パターン１６は、半導体発光装置１を実装基板上に搭載する際、実装基板上のアノードおよびカソードランドパターンとはんだなどで接続固定される、アノード外部電極およびカソード外部電極として機能する。主表面４上の電極パターン１６は、基板２内（スルーホール６内）に形成された貫通電極を通じて、裏面８側のアノード外部電極およびカソード外部電極と電気的接続される。

半導体発光素子１０は、二つの電極パターン１６の各々に電気的に接続されている。図１に示す表面２電極型の半導体発光素子１０は、ワイヤ１４を介したワイヤボンディングによって、電極パターン１６と電気的に接続されている。上下電極型の半導体発光素子１０の場合、はんだやダイボンド用樹脂ペーストを使用して半導体発光素子１０を主表面４上に接着固定するとともに電極パターン１６に電気的に接続する、ダイボンディングが使用されてもよい。

または、半導体発光素子１０は、バンプ接続を使用して基板２にフリップチップ実装されてもよい。つまり、半導体発光素子１０は、主表面４上にフェイスダウン方式で搭載され、バンプと呼ばれる突起状の端子によって電極パターン１６に電気的に接続されてもよい。

主表面４上には、第一の透明樹脂部２０が設けられている。第一の透明樹脂部２０は、蛍光体を含まない透明樹脂層である。第一の透明樹脂部２０は、半導体発光素子１０を覆う封止樹脂部２２を含む。本実施の形態の半導体発光素子１０がワイヤボンディングにより電極パターン１６に接続されているので、封止樹脂部２２は二本のワイヤ１４も覆うように形成されている。封止樹脂部２２は、半導体発光素子１０付近ではドーム状（球面状）に形成されており、図１に示す断面円弧状の外表面２３を有する。封止樹脂部２２は、ドーム型の封止形状を有する。なお、封止樹脂部２２は、矩形状の断面を有する直方体の箱状に形成されてもよい。

第一の透明樹脂部２０はまた、封止樹脂部２２の周囲を取り囲む周壁部２６と、封止樹脂部２２と周壁部２６とを接続する接続部３４と、を含む。半導体発光装置１はまた、周壁部２６の内側に形成され封止樹脂部２２を覆う、第二の透明樹脂部４０を備える。半導体発光素子１０の周囲に形成される周壁部２６は、第二の透明樹脂部４０を形成する樹脂材料を周壁部２６の内側に溜め、第一の透明樹脂部２０上に第二の透明樹脂部４０を形成するための、堰き止め部として機能する。

図２は、図１に示す半導体発光素子１０付近を拡大して示す断面図である。図２を参照して、封止樹脂部２２を取り囲む周壁部２６の内側には、第一の透明樹脂部２０が窪んだ凹部３８が形成されている。周壁部２６は、封止樹脂部２２と対向する側の環状の内周側面２８と、内周側面２８よりも半導体発光素子１０から離れた環状の外周側面３２（図１参照）とを有する。周壁部２６はまた、内周側面２８と外周側面３２とを連結し、基板２の主表面４に対し略平行に設けられた、環状の上端部３０を有する。上端部３０は、堰き止め部として機能する周壁部２６の天端面を成す。なお図２では、第二の透明樹脂部４０は図示を省略されている。

凹部３８は、周壁部２６の内周側面２８と、封止樹脂部２２の外表面２３とによって囲まれる。封止樹脂部２２は、主表面４から最も離れた頂部２４を有する。頂部２４は、ドーム状の封止樹脂部２２の外表面２３の最上部に位置する。堰き止め部の上部を成す周壁部２６の上端部３０は、封止樹脂部２２の頂部２４よりも高くなるように設定されている。主表面４から上端部３０への距離が、封止樹脂部２２の周囲全体に亘って、頂部２４よりも大きくなるように、封止樹脂部２２と周壁部２６とは形成されている。

このように第一の透明樹脂部２０を形成すると、第二の透明樹脂部４０を形成する樹脂材料を凹部３８内に充填するとき、当該樹脂材料は封止樹脂部２２の外表面２３の全体を覆う。そのため、半導体発光素子１０の直上付近で第二の透明樹脂部４０の厚みが小さくなりすぎるのを防止し、頂部２４の近傍において第二の透明樹脂部４０の適切な厚みを確保することができる。したがって、封止樹脂部２２の全体の上側に十分な厚みを有する第二の透明樹脂部４０を設けることができ、これにより半導体発光装置１の配光特性の均一性を向上させることができる。

図２に示すように、半導体発光素子１０は、光を発生する発光層１２を含む。発光層１２の上下の層の一方はｎ型半導体層であり、他方はｐ型半導体層である。発光層１２は、ｎ型半導体層とｐ型半導体層との間に配置されている。半導体発光素子１０は、ｎ型半導体層と発光層とｐ型半導体層が積層された、積層構造を有する。

図３は、第二の透明樹脂部４０の構成を示す断面模式図である。図３には、図１に示す半導体発光装置１の、第二の透明樹脂部４０付近の一部分が拡大されて図示されている。図３に示すように、第一の透明樹脂部２０によって形成された凹部３８（図２参照）の内側に樹脂材料が充填されて、第二の透明樹脂部４０が形成されている。第二の透明樹脂部４０は、その内部に蛍光体４２を含む。凹部３８に溜められる第二の透明樹脂部４０は、その内部に蛍光体４２を含有する、蛍光体入り透明樹脂部である。

蛍光体４２としては、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系、ＴＡＧ（テルビウム・アルミニウム・ガーネット）系、またはＢＯＳ（Barium Ortho-Silicate）系黄色蛍光体を使用することができる。または、ＣａＡｌＳｉＮ３：Ｅｕなどの窒化物系赤色蛍光体と、緑色蛍光体Ｃａ３（Ｓｃ，Ｍｇ）２Ｓｉ３Ｏ１２：Ｃｅ、ＢＯＳ系、β-サイアロンとの組合せなどを、好適に用いることができる。

蛍光体４２は第二の透明樹脂部４０内において沈降し、これにより、封止樹脂部２２に近接する部分に、蛍光体４２の含有濃度が相対的に高い蛍光体層４４を形成する。第二の透明樹脂部４０は、封止樹脂部２２の外表面２３に接触する接触面４３付近に形成された、蛍光体層４４を有する。蛍光体層４４の表面を成す接触面４３は、封止樹脂部２２の外表面２３に面接触する。

蛍光体４２は、第二の透明樹脂部４０中で均一に分散してもよいが、図３に示すように蛍光体４２を沈降させてドーム形状の封止樹脂部２２の外表面２３に沿うような層状の蛍光体層４４を形成することにより、半導体発光装置１の配光特性の均一性を向上させることができる。第二の透明樹脂部４０内での蛍光体４２の分布が不均一になると、青色光と蛍光光との光量のバランスが光の取り出し方向で異なることになる。その結果、色度の角度依存性が大きくなるので、半導体発光装置１を面状の光源装置の光源として使用しにくくなる。これに対し、封止樹脂部２２に沿う蛍光体層４４に蛍光体４２を沈降させると、色度の角度依存性の発生を抑制でき、半導体発光装置１の配向特性をより均一化させることができる点で有利である。

図２に戻って、封止樹脂部２２と周壁部２６とを接続する接続部３４は、基板２の厚み方向において、主表面４と発光層１２との間の距離ｄＬよりも小さい厚みｄを有する。つまり、接続部３４における、第一の透明樹脂部２０の表面から基板２の主表面４までの、基板２の厚み方向に沿う距離が厚みｄであるが、この厚みｄは、基板２の厚み方向において発光層１２が基板２の主表面４から離れる距離ｄＬよりも小さい。

接続部３４の厚みｄが距離ｄＬよりも大きければ、蛍光体層４４を経由せずに直接外部に取り出される光の量が多くなる。その結果、蛍光体４２によって蛍光光に変換されない半導体発光素子１０からの青色光の光量が増加するので、半導体発光装置１からの光の色度に関する配光特性の分布が大きくなる。上記のように接続部３４の厚みを制限することで、半導体発光素子１０から取り出される青色光は蛍光体層４４を経由して外部へ放出されるので、所望の光量の青色光を蛍光体４２によって蛍光光へ変換することができる。したがって、半導体発光装置１が発生する光の色度に関する配向特性の分布が大きくなることを抑制でき、半導体発光装置１の配光特性の均一性を向上させることができる。

図４は、図３に示す半導体発光装置１の一部分の平面図である。図４に示すように、堰き止め部としての周壁部２６の内周側面２８（換言すると、堰き止め部の内側に形成された凹部３８の外形）を上方から見た形状は、円形状である。ただしこの形状に限られるものではなく、周壁部２６は、基板２の外周辺にその一辺が平行な正方形、または基板２の外周辺に対して４５°傾いた正方形でもよい。所望の発光パターンおよび配光特性に応じて、周壁部２６の形状を任意に変更可能である。

本実施の形態では、封止樹脂部２２はドーム形状であって、封止樹脂部２２を上方から見た二次元的な形状もまた円形である。図１および図４を参照して、封止樹脂部２２の外形が形成する円と、周壁部２６の内周側面２８が形成する円とは、対称軸Ｓをそれぞれの円の中心として共有する。すなわち、封止樹脂部２２と内周側面２８と第二の透明樹脂部４０とは、同心円状に形成されている。半導体発光素子１０もまた、この対称軸Ｓを中心として、基板２上に搭載されている。このような構造によって、半導体発光素子１０から取り出された光は、その光の取り出し方向に依存せず、中心対称に封止樹脂部２２を経由して蛍光体層４４へ到達し、蛍光光に変換されて、対称軸Ｓ周りの周方向に均等に白色光が放出される。

なお、本実施の形態では、一つの半導体発光素子１０を対称軸Ｓ中心に配置しているが、対称軸Ｓ周りに複数の半導体発光素子を対称配置してもよい。または、対称軸Ｓ中心に一つの半導体発光素子を配置し、他の複数の半導体発光素子をその一つの半導体発光素子を取り囲むように対称軸Ｓ周りに対称配置してもよい。

再び図１を参照して、半導体発光装置１はさらに、第二の透明樹脂部４０を覆う第三の透明樹脂部５０を備える。第三の透明樹脂部５０は、封止樹脂部２２の周壁部２６の外周側面３２と上端部３０とをさらに覆う。第三の透明樹脂部５０は、蛍光体を含まない透明樹脂層である。第三の透明樹脂部５０は、大気との境界をなす外周面５２を含む。第三の透明樹脂部５０は、第一の透明樹脂部２０の封止樹脂部２２、接続部３４および周壁部２６を覆い、また第二の透明樹脂部４０の全体を覆うように設けられている。

周壁部２６の環状の外周側面３２と外周側面３２の内径側との全体を覆う第三の透明樹脂部５０は、ドーム状に形成されており、図１に示す断面円弧状の外周面５２を有する。第三の透明樹脂部５０の、封止樹脂部２２および第二の透明樹脂部４０を覆う外周面５２の一部は、球面状に形成されている。外周面５２が球面状の第三の透明樹脂部５０によって、半導体発光装置１の封止体最表面を球面状にできるので、半導体発光素子１０および蛍光体４２からの放出光を外部（大気層）へ効率よく等方的に均等に取り出すことができる。第三の透明樹脂部５０が第一および第二の透明樹脂部２０，４０を部分的に覆うと外周面５２の形状が不規則になり易いが、第三の透明樹脂部５０で第一の透明樹脂部２０と第二の透明樹脂部４０との全体を覆うことにより、簡単に封止体最表面を半球面状に形成することができる。

図１に示す第三の透明樹脂部５０の断面形状は、対称軸Ｓを中心とする線対称な形状を有する。上述した周壁部２６の内周側面２８、封止樹脂部２２、第二の透明樹脂部４０、および第三の透明樹脂部５０がいずれも対称軸Ｓを共有する軸対称な形状を有し、封止樹脂部２２の外表面２３、第二の透明樹脂部４０の外表面および第三の透明樹脂部５０の外周面５２の各々の形状が中心軸対称である。そのため半導体発光装置１は、より中心対称な発光パターンを得ることができる。

第一の透明樹脂部２０と第二の透明樹脂部４０と第三の透明樹脂部５０とは、たとえばシリコーン樹脂などの、同一の樹脂材料から形成されてもよい。または、第一の透明樹脂部２０と第二の透明樹脂部４０と第三の透明樹脂部５０とは、同一の屈折率および同一の熱膨張係数を有してもよい。同一の屈折率とすることにより、樹脂層界面での散乱ロスを防止できる。同一の熱膨張係数とすることにより、樹脂層界面でのはがれを防止することができる。

図５は、図１に示す半導体発光装置に、原点Ｏを中心とする仮想的な球面を示した図である。図６は、図１に示す半導体発光装置を、原点Ｏを中心とする座標上に模式的に示した図である。第一、第二および第三の透明樹脂部２０，４０，５０が同一屈折率の場合には、蛍光体層４４の形状ならびに第三の透明樹脂部５０の材質および形状は、Ｒ＞ｒ・ｎの関係が成立するように決定されている。

ここで、Ｒは、基板２上の半導体発光素子１０の搭載位置を中心（原点Ｏ）とし、第三の透明樹脂部５０の外周面５２を含む球面の半径を示す。ｒは、蛍光体層４４を内部に含む仮想的な球面９１の半径を示す。なお、蛍光体４２が第二の透明樹脂部４０中において沈降せず略均等に分散しており、その結果蛍光体層４４が第二の透明樹脂部４０中に形成されていない場合には、ｒは、第二の透明樹脂部４０の全体を内部に含む仮想的な球面の半径を示す。ｎは、第一、第二および第三の透明樹脂部２０，４０，５０の屈折率を示す。このような構成により、球面９１の内側で発せられた光を効率的に大気層に取り出すことができる。以下、その理由について説明する。

図６を参照して、原点Ｏを中心とする座標上において、球面９１（蛍光体層４４を内部に含む仮想的な球面に相当）上の任意の位置に発光点Ｌがプロットされている。発光点Ｌは、蛍光体４２、半導体発光素子１０の光取り出し表面（電極に覆われていない、Ｐ型／Ｎ型半導体層、発光層、半導体発光素子の基板の結晶表面部分）のことを指す。発光点Ｌから発せられた光が入射角αで入射する外周面５２（第三の透明樹脂部５０の外周面５２を含む球面に相当）上の位置に、樹脂表面Ａがプロットされている。原点Ｏおよび発光点Ｌ間を結ぶ線分と、発光点Ｌおよび樹脂表面Ａ間を結ぶ線分とがなす角度を、θとする。

このとき、正弦定理より下記の関係式が成立する。
（Ｒ／ｓｉｎθ）＝（ｒ／ｓｉｎα）
上式を整理すると、
ｓｉｎα＝ｒ・ｓｉｎθ／Ｒ
となり、この式から、θ＝π／２のとき、αは最大値（αｍａｘ）をとる。

すなわち、下記の（式１）が成立する。
ｓｉｎα≦ｓｉｎ（αｍａｘ）＝ｒ／Ｒ （式１）
入射角αと、第三の透明樹脂部５０および大気層の境界における全反射の臨界角θｃとの間には、スネルの法則から下記の（式２）が成立する。
ｓｉｎθｃ＝１／ｎ （式２）
今、半導体発光装置１において常にα＜θｃ、すなわち、
αｍａｘ＜θｃ （式３）
の関係が成立するならば、発光点Ｌから発せられた光を全て大気層４６に取り出すことができる。

（式１）〜（式３）を整理すると、下記の関係式が成立する。
ｒ／Ｒ＝ｓｉｎ（αｍａｘ）＜ｓｉｎθｃ＝１／ｎ
結果、Ｒ＞ｒ・ｎの関係が成立するように蛍光体層４４ならびに第一、第二および第三の透明樹脂部２０，４０，５０を設けることによって、球面９１の内側から外側に発せられた光を全て大気層に取り出すことができる。

以上のような構成を有する半導体発光装置１の製造方法について、以下に詳細に説明する。図７は、半導体発光装置１の製造工程を示す流れ図である。図７に示すように、まず工程（Ｓ１０）において、主表面４を有する基板２を準備する。基板２として、セラミック基板、表面に絶縁層を形成した金属基板、メタルコア基板、高放熱多層樹脂基板などの、任意の好適な基板を使用することができる。

次に工程（Ｓ２０）において、電極パターン１６を形成するためのメタルパターンを、基板２の主表面４および裏面８上に形成する。必要に応じて、基板２を厚み方向に貫通するスルーホール６を形成し、スルーホール６を経由する貫通電極によって主表面４側のメタルパターンと裏面８側のメタルパターンとを接続する。

次に工程（Ｓ３０）において、基板２の主表面４上に半導体発光素子１０を配置する。半導体発光素子１０は、その中心が対称軸Ｓと合わせられるように、主表面４上に配置される。続いて工程（Ｓ４０）において、半導体発光素子１０の電極と電極パターン１６とを電気的接続する。たとえば、ワイヤ１４を使用したワイヤボンディング、ダイボンディングまたはフリップチップ実装などの任意の好適な方法によって、半導体発光素子１０の電極と電極パターン１６とが電気的に接続される。

次に工程（Ｓ５０）において、主表面４上に第一の透明樹脂部２０を形成する。第一の透明樹脂部２０は、半導体発光素子１０を覆う封止樹脂部２２と、封止樹脂部２２の周囲を取り囲む周壁部２６と、封止樹脂部２２と周壁部２６とを接続する接続部３４と、を含む。第一の透明樹脂部２０を形成する工程（Ｓ５０）の詳細は後述する。

次に工程（Ｓ６０）において、周壁部２６の内側に、封止樹脂部２２を覆うように、蛍光体４２を含む第二の透明樹脂部４０を形成する。第二の透明樹脂部４０を形成する工程（Ｓ６０）の詳細は後述する。

次に工程（Ｓ７０）において、第一の透明樹脂部２０、第二の透明樹脂部４０の全体を覆う第三の透明樹脂部５０を形成する。第三の透明樹脂部５０を形成する工程（Ｓ７０）の詳細は後述する。

次に工程（Ｓ８０）において、後処理が行なわれる。たとえば、必要に応じて、第三の透明樹脂部５０の外周面５２に発生したバリ取りが行なわれる、またたとえば、同一の基板２上に複数形成された同一形状の半導体発光装置１を、ダイシングにより切断することで、単一の半導体発光装置１を得る。このようにして、所望の光学特性を有する半導体発光装置１が完成する。

図８は、第一の透明樹脂部２０を形成する工程（Ｓ５０）の詳細を示す流れ図である。図８に示すように、第一の透明樹脂部２０を形成する工程（Ｓ５０）は、主表面４上に金型６２を設置する工程（Ｓ５１）と、金型６２の内部空間６４に樹脂材料６８を供給する工程（Ｓ５２）と、供給された樹脂材料６８を硬化させる工程（Ｓ５３）と、金型６２を取り除く工程（Ｓ５４）と、を備える。

図９は、基板２の主表面４上に金型６２を設置した状態を示す断面図である。図１０は、金型６２の内部に樹脂材料６８が充填された状態を示す断面図である。図９および図１０に示すように、第一の透明樹脂部２０は、金型６２を適切な位置に配置して、その後図９中の矢印に従って金型６２の内部空間６４に樹脂材料６８が充填される、金型成型を使用して作製される。金型成型は、金型６２の作製のために初期投資費用を必要とするが、一旦金型６２を作製すれば、安定した形状の樹脂成型品を安価にかつ量産性よく形成できる方法である。本例は、金型成型の一例であるトランスファー成型を適用した事例である。

他の金型成型を用いた第一の透明樹脂部２０の形成方法としては、圧縮成型、射出成型などを使用することができる。

図９に示すように、複数の第一の透明樹脂部２０に対応する形状の金型６２を準備すれば、金型６２の内部空間６４に樹脂材料６８を供給する一工程によって、封止樹脂部２２と周壁部２６とを同時に形成することができ、かつ、複数の第一の透明樹脂部２０を同時に形成することができる。このように金型成型で一括して形成された封止樹脂部２２と周壁部２６との間には、これらを接続する厚みｄの薄い部分である接続部３４（図１および図２参照）があるが、この接続部３４は樹脂材料６８を供給する際に樹脂が通過する経路として役立つ。樹脂材料６８が樹脂注入経路としての接続部３４を経由して供給されることにより、第一の透明樹脂部２０の形状が形成される。

樹脂注入経路を確保するために、接続部３４は、基板２の厚み方向において、５０μｍ以上の厚みｄを有する。接続部３４の厚みｄを５０μｍ以上とすることにより、樹脂材料６８の注入のために十分な樹脂注入経路を確保できるので、金型６２の内部空間６４全体に容易に樹脂材料を充填することができる。したがって、金型成型の生産性を向上させることができる。

しかしながら、前述にあるように、半導体発光装置１が発生する光の色度に関する配向特性の分布を改善する観点からは、この厚みｄを基板２の厚み方向において発光層１２が基板２の主表面４から離れる距離ｄＬよりも小さくする必要がある。そのため、厚みｄを、この５０μｍ以上の範囲内でなるべく小さい厚みにすることが望ましく、使用する半導体発光素子１０の基板２の裏面８からの発光層１２の高さに準じて、厚みｄを適宜決める必要がある。逆に、使用する半導体発光素子１０の裏面８からの発光層１２の高さを大きくすれば、接続部３４の厚みｄをより厚くでき、第一の透明樹脂部２０の製造上のマージンを十分確保できる。

また、後工程において第二の透明樹脂部４０を形成する樹脂材料用の堰き止め部は、金型成型によって一体に成形される。したがって、堰き止め部を基板２上に配置する工程を別に設ける必要はなく、また堰き止め部を除去する必要もない。その結果、半導体発光装置１の製造工程を簡略化できるので、製造コストを低減することができる。

図１１は、第二の透明樹脂部４０を形成する工程（Ｓ６０）の詳細を示す流れ図である。図１１に示すように、第二の透明樹脂部４０を形成する工程（Ｓ６０）は、周壁部２６の内側に樹脂材料７８をポッティングする工程（Ｓ６１）と、ポッティングされた樹脂材料７８を硬化させる工程（Ｓ６２）と、を備える。

図１２は、ポッティング装置７４が準備された状態を示す断面図である。図１３は、第二の透明樹脂部４０を形成する樹脂材料７８が充填された状態を示す断面図である。図１２に示すように、第一の透明樹脂部２０の周壁部２６により囲まれて形成された凹部３８に、蛍光体が含有された透明の樹脂材料７８をポッティングにより注入するための、ポッティング装置７４が準備される。図１３では、ポッティング装置７４を使用して樹脂材料７８が凹部３８の内部に注入され、この樹脂材料７８が硬化されて、第二の透明樹脂部４０が形成された状態が図示される。

樹脂材料７８を硬化させる際の初期加熱段階時に、樹脂材料７８の粘度が低下する。この粘度低下時間を長く調整することで、ポッティングされた樹脂材料７８に含まれる蛍光体４２を容易に沈降させることができる。初期加熱段階時に低下する粘度がより低い値の樹脂材料７８を使用することで、蛍光体４２を短時間で沈降させることができ、蛍光体４２の沈降に要する時間を短縮することができる。

逆に、第二の透明樹脂部４０中において蛍光体４２をほぼ均一に分散させる場合は、上記の粘度低下時間を短くすればよく、または、初期加熱段階時の粘度の低下が小さい樹脂材料７８を使用すればよい。

このポッティングの際に、周壁部２６と封止樹脂部２２とによって囲まれた凹部３８の形状によって、第二の透明樹脂部４０の形状を安定化させることができる。樹脂材料７８の堰き止め部として機能する周壁部２６は、金型成型によって同一の形状に形成される。そのため、金型成型で形成した凹部３８に等量の樹脂材料７８を注入すれば、略同一の形状を有する第二の透明樹脂部４０を容易に得ることができる。

図１４は、第三の透明樹脂部５０を形成する工程（Ｓ７０）の詳細を示す流れ図である。図１４に示すように、第三の透明樹脂部５０を形成する工程（Ｓ７０）は、封止樹脂部２２を覆う金型８２を設置する工程（Ｓ７１）と、金型８２の内部空間８４に樹脂材料８８を供給する工程（Ｓ７２）と、供給された樹脂材料８８を硬化させる工程（Ｓ７３）と、金型８２を取り除く工程（Ｓ７４）と、を備える。

図１５は、封止樹脂部２２を覆う金型８２を設置した状態を示す断面図である。図１６は、金型８２の内部に樹脂材料８８が充填された状態を示す断面図である。図１５および図１６に示すように、第三の透明樹脂部５０は、金型８２を適切な位置に配置して、その後図１５中の矢印に従って金型８２の内部空間８４に樹脂材料８８が充填される、金型成型を使用して作製される。本例は、トランスファー成型の事例である。

他の金型成型を用いた第三の透明樹脂部５０の形成方法として、上述した第一の透明樹脂部２０と同様に、圧縮成型、射出成型などを使用することができる。

図１５に示すように、複数の第三の透明樹脂部５０に対応する形状の金型８２を準備すれば、金型８２の内部空間８４に樹脂材料を供給する一工程によって、複数の第三の透明樹脂部５０を形成することができる。

図１７は、本実施の形態の製造方法により作製された半導体発光装置アセンブリ１００の断面図である。図１７に示す半導体発光装置アセンブリ１００は、複数の半導体発光装置、すなわち、半導体発光装置１と、半導体発光装置１に隣接する他の半導体発光装置１０１とを備える。

半導体発光装置１の第一の透明樹脂部２０と、他の半導体発光装置１０１の第一の透明樹脂部１２０とは、図８〜図１０を参照して説明した金型成型によって一体に成形されている。半導体発光装置１の第三の透明樹脂部５０と、他の半導体発光装置１０１の第三の透明樹脂部１５０とは、図１４〜図１６を参照して説明した金型成型によって一体に成形されている。

第一の透明樹脂部２０，１２０が同一の工程において金型成型を用いて形成されたため、半導体発光装置１と他の半導体発光装置１０１との間には、第一の透明樹脂部２０，１２０を連結する連結部１２９が形成されている。第三の透明樹脂部５０，１５０が同一の工程において金型成型を用いて形成されたため、半導体発光装置１と他の半導体発光装置１０１との間には、第三の透明樹脂部５０，１５０を連結する連結部１５９が形成されている。連結部１２９，１５９は、金型成型において金型の内部空間に樹脂材料を充填する際の、樹脂材料の充填経路によって生じた部分である。

第一の透明樹脂部２０，１２０は、それらの間に連結部１２９を介在させた、一体の構造を有する。第三の透明樹脂部５０，１５０は、それらの間に連結部１５９を介在させた、一体の構造を有する。このように、第一の透明樹脂部２０，１２０および第三の透明樹脂部５０，１５０が金型成型によって形成された半導体発光装置アセンブリ１００では、ドーム状の第三の透明樹脂部５０，１５０の周囲において、基板２の主表面４に沿って、複数の半導体発光装置１，１０１間を繋ぐ薄い樹脂層（連結部１２９，１５９）が残る構成となる。

複数の半導体発光装置１，１０１を備える半導体発光装置アセンブリ１００を、照明機器などの面状の光源として使用することが可能である。また、図１５に示すダイシングラインＤに沿って半導体発光装置アセンブリ１００を切断し、個辺化された半導体発光装置１，１０１をそれぞれ別々に使用してもよい。

以上説明したように、本実施の形態の半導体発光装置１では、シリコーン樹脂やフッ素樹脂などのシートに穴をあけたシート（ダムシート）を使用した、ダムシートの穴にポッティング法により樹脂を流し込み、樹脂を硬化させ、その後ダムシートを除去する方法によって樹脂成型品を形成する必要はない。その代わりに、金型成型により形成された周壁部２６が、第二の透明樹脂部４０をポッティング成型する際の堰き止め部として機能する。したがって、使い捨てのダムシートを使用することなく、半導体発光装置１を製造することができる。かつ、第一の透明樹脂部２０と第三の透明樹脂部５０とは、同一材料で形成することができる。金型で形成される第一の透明樹脂部２０において、樹脂材料の注入経路確保の必要性から半導体発光素子１０の周辺部のみを封止する孤立した封止体構造をとることは困難なため、第一の透明樹脂部２０は封止樹脂部２２と周壁部２６と接続部３４とを含む構造とされている。

また、先行技術において提案された２重ドーム構造（２重とも金型成型で形成され、１重目のドームに蛍光体を含有させる場合）と比較した場合、１重目の蛍光体含有ドームでは蛍光体含有樹脂がドーム以外の基板上にも薄く形成されるので、蛍光体の無駄が多くなるとともに、基板の反射効率を低下させる。これに対し、本実施の形態の半導体発光装置１の第二の透明樹脂部４０では、半導体発光素子１０を覆う封止樹脂部２２の周辺にのみ、蛍光体４２を含有する樹脂層である蛍光体層４４が形成される。したがって、蛍光体４２が無駄にならず、かつ基板２の反射効果を向上させることもできる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，１０１ 半導体発光装置、２ 基板、４ 主表面、１０ 半導体発光素子、１２ 発光層、２０，１２０ 第一の透明樹脂部、２２ 封止樹脂部、２３ 外表面、２４ 頂部、２６ 周壁部、２８ 内周側面、３０ 上端部、３２ 外周側面、３４ 接続部、３８ 凹部、４０ 第二の透明樹脂部、４２ 蛍光体、４３ 接触面、４４ 蛍光体層、５０，１５０ 第三の透明樹脂部、５２ 外周面、６２，８２ 金型、６４，８４ 内部空間、６８，７８，８８ 樹脂材料、７４ ポッティング装置、１００ 半導体発光装置アセンブリ、１２９，１５９ 連結部。

Claims (15)

1. 主表面を有する基板と、
   前記主表面上に配置された半導体発光素子と、
   前記半導体発光素子を覆う封止樹脂部と、前記封止樹脂部の周囲を取り囲む周壁部と、前記封止樹脂部と前記周壁部とを接続する接続部とを含み、前記主表面上に設けられた第一の透明樹脂部と、
   蛍光体を含み、前記周壁部の内側に形成され前記封止樹脂部を覆う、第二の透明樹脂部と、
   前記第二の透明樹脂部を覆う第三の透明樹脂部と、を備え、
   前記半導体発光素子は、発光層を含み、
   前記接続部は、前記基板の厚み方向において、前記主表面と前記発光層との間の距離よりも小さい厚みを有する、半導体発光装置。
2. 前記第一の透明樹脂部と、前記第二の透明樹脂部と、前記第三の透明樹脂部とは、同一の屈折率を有する、請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第三の透明樹脂部は、前記封止樹脂部の周壁部の外周側面と上端部とをさらに覆い、大気との境界をなす外周面を含み、
   前記外周面の少なくとも一部は、球面状に形成されている、請求項１または請求項２に記載の半導体発光装置。
4. 前記封止樹脂部は、前記主表面から最も離れた頂部を有し、
   前記周壁部は、前記主表面からの距離が前記封止樹脂部の周囲全体に亘って前記頂部よりも大きい上端部を有する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体発光装置。
5. 前記封止樹脂部の外表面の少なくとも一部は、球面状に形成されている、請求項４に記載の半導体発光装置。
6. 前記接続部は、前記基板の厚み方向において、５０μｍ以上の厚みを有する、請求項１から請求項５のいずれかに記載の半導体発光装置。
7. 前記蛍光体は、前記第二の透明樹脂部中において略均等に分散している、請求項１から請求項６のいずれかに記載の半導体発光装置。
8. 前記第二の透明樹脂部は、前記蛍光体の含有濃度が相対的に高い蛍光体層を有し、
   前記蛍光体層は、前記封止樹脂部に面接触する、請求項１から請求項７のいずれかに記載の半導体発光装置。
9. 前記第一の透明樹脂部と前記第三の透明樹脂部とは、対称軸を共有する軸対称な形状を有する、請求項１から請求項８のいずれかに記載の半導体発光装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の半導体発光装置を複数備える、半導体発光装置アセンブリであって、
    前記半導体発光装置の前記第一の透明樹脂部は、前記半導体発光装置に隣接する他の半導体発光装置の第一の透明樹脂部と一体の構造を有し、
    前記半導体発光装置の前記第三の透明樹脂部は、前記他の半導体発光装置の第三の透明樹脂部と一体の構造を有する、半導体発光装置アセンブリ。
11. 主表面を有する基板を準備する工程と、
    前記主表面上に発光層を含む半導体発光素子を配置する工程と、
    前記主表面上に、前記半導体発光素子を覆う封止樹脂部と、前記封止樹脂部の周囲を取り囲む周壁部と、前記封止樹脂部と前記周壁部とを接続し、前記基板の厚み方向において、前記主表面と前記発光層との間の距離よりも小さい厚みを有する接続部と、を含む第一の透明樹脂部を形成する工程と、
    前記周壁部の内側に、前記封止樹脂部を覆うように、蛍光体を含む第二の透明樹脂部を形成する工程と、
    前記第二の透明樹脂部を覆う第三の透明樹脂部を形成する工程と、を備える、半導体発光装置の製造方法。
12. 前記第一の透明樹脂部を形成する工程は、
    前記主表面上に金型を設置する工程と、
    前記金型の内部空間に樹脂材料を供給する工程と、
    供給された前記樹脂材料を硬化させる工程と、
    前記金型を取り除く工程と、を備える、請求項１１に記載の半導体発光装置の製造方法。
13. 前記第二の透明樹脂部を形成する工程は、
    前記周壁部の内側に樹脂材料をポッティングする工程と、
    ポッティングされた前記樹脂材料を硬化させる工程と、を備える、請求項１１に記載の半導体発光装置の製造方法。
14. 前記第二の透明樹脂部を形成する工程は、ポッティングされた前記樹脂材料に含まれる蛍光体を沈降させる工程をさらに備える、請求項１３に記載の半導体発光装置の製造方法。
15. 前記第三の透明樹脂部を形成する工程は、
    前記封止樹脂部を覆う金型を設置する工程と、
    前記金型の内部空間に樹脂材料を供給する工程と、
    供給された前記樹脂材料を硬化させる工程と、
    前記金型を取り除く工程と、を備える、請求項１１に記載の半導体発光装置の製造方法。

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